【行业动态】仿真技术加速燃气炉灶设计

2016-11-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

关键字:燃气灶 CAD系统燃气灶有限元分析

惠尔普巴西分公司利用直接建模和流体仿真技术将开发新炉灶面的时间缩短了35%。

ANSYS SpaceClaim DirectModeler能方便地清理几何结构,并生成CFD仿真所需的封闭体积。

1项目介绍

燃气灶面的设计具有很大挑战性,因为这其中涉及了许多设计参数。产生火焰的端口几何形状、向端口提供燃气的喷嘴、支撑端口的网格炉排、端口和设备金属表面之间的关系,所有这些因素都影响着炉灶的工作性能。

惠尔普巴西分公司很大程度上依赖于仿真技术来设计燃气炉灶,满足独立橱柜、内置烤箱和各种炉灶面的要求。仿真技术能帮助工程师在原型阶段之前预测推荐炉灶设计的性能,从而减少燃气消耗、缩短烹饪时间、并减少开发时间。惠尔普巴西分公司的工程师利用ANSYS计算流体动力学(CFD)软件评估推荐炉灶设计的火焰稳定性、热效率、表面温度和一氧化碳生成等问题。不过,工程师需要工具来准备仿真模型,从而快速探索一系列设计方案,并找到满足所有标准的最佳炉灶设计。

惠尔普巴西分公司利用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler解决了这一挑战,该软件能方便地清理几何结构并生成CFD仿真所需的封闭体积。利用SpaceClaim,惠尔普巴西分公司的工程师能直接编辑任何几何结构特性,无需担心参数限制,也将概念设计分析的准备时间缩短高达90%。仿真技术能大幅加速定义和评估新的设计迭代,因此开发新炉灶面模型的整体时间缩减了30%到40%。

工程师将一次吸气处理从36%提升到52%。这能生成稳定的火焰,支持几乎彻底的燃烧,确保了高效性,并尽可能减少一氧化碳的生成。

2设计优化过程

惠尔普巴西分公司的工程师一直用参数化CAD系统创建炉灶设计。CAD系统可生成高度详细的模型,这对于满足严格的生产要求至关重要——生产也是设计周期中的最后一步。不过,在设计早期阶段,工程师需要工具来方便地进行多个设计迭代。他们可通过仿真虚拟测试这些设计。单个CAD模型要花一个星期来准备,完整的全新炉灶设计至少需要100天的时间。

ANSYS SpaceClaim DirectModeler在ANSYS Workbench中集成能让工程师更快地修改和研究设计变更,所需时间比过去大大缩短。惠尔普巴西分公司的工程师近期利用这些工具为消费者市场设计一款全新的炉灶面。工程师首先用公司的参数化CAD系统创建基线设计,随后将STEP文件导出到ANSYSWorkbench设计环境,从而突破参数限制。

SpaceClaim Direct Modeler的优势在于:它对导入模型采用模式识别来确定用户进行编辑时的目的,这样模型就能像完全参数化一样进行操控。举例来说,即便没有将口袋定义为一种特性,用户也能选择它,而软件则能实时识别这种特性,并让用户修改尺寸或移动位置,同时不会分解成为线和弧形等单个实体。

3燃气灶实例

就燃气灶而言,惠尔普巴西分公司的工程师首先用SpaceClaim工具自动发现并修复了模型表面之间的空隙和重叠部分。该工具可充分应对原始模型的大部分问题。工程师用其它SpaceClaim工具校正附加区域,包括清理小特性和填充孔洞。只需选择表面和边缘并拖放或移动到适当位置就能进行进一步的编辑。只需4个小时,模型就能准备好进行网格剖分和仿真。

新型燃气灶设计的ANSYS CFD仿真(如下图)。执行仿真以研究进出燃气炉不同位置的空气/燃料比。该图显示了燃气灶横截面的燃气密度。

网格具有250万个节点和1020万个四面体、六面体、楔形和金字塔单元。惠尔普巴西分公司的工程师利用EDC燃烧模型和SST湍流模型运行ANSYS Fluent CFD燃烧仿真。在20个内核的高性能计算(HPC)平台上运行仿真的时间为36个小时。结果显示了燃料和一次气体的质量流、一氧化碳密度和炉灶面的表面温度。惠尔普巴西分公司的工程师还编写了计算燃烧炉效率的脚本。仿真显示了初始设计中许多需要改善的关键区域。

工程师利用SpaceClaim生成了总共16次迭代,来研究端口和喷头几何结构的变化。他们重点观注主燃空气卷吸量,这是反映空气参与燃烧效率的指标,表示为恰当化学计量空气量的百分比。在设计迭代过程中,工程师将主燃空气卷吸量从36%提升到52%。这能生成稳定的火焰,支持几乎彻底的燃烧,确保了高效性,并尽可能减少一氧化碳的生成。

完整设计过程需要大约65天,比此前方法使用的时间缩短35%。该应用说明通过让仿真工程师利用仿真技术快速便捷地准备几何结构能显著节约时间和成本,同时也证明了能利用仿真技术确定高效设计。

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